DE10325754A1

DE10325754A1 - Brennstoffzellen-System

Info

Publication number: DE10325754A1
Application number: DE10325754A
Authority: DE
Inventors: Shingo Kariya Morishima; Eitaro Kariya Tanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2023-06-07
Also published as: DE10325754B4; JP2004022198A; US6855444B2; US20030232226A1; JP3835357B2

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellen-System bereitgestellt, das in der Lage ist, eine Brennstoffzelle auch in Tieftemperaturumgebungen zu aktivieren. Das Brennstoffzellen-System erfaßt die Außenlufttemperatur in der Umgebung der Brennstoffzelle, um das Absinken der Außenlufttemperatur aufgrund der Änderung der erfaßten Außenlufttemperatur zu schätzen, nachdem die Brennstoffzelle deaktiviert wurde, und entscheidet, ob die geschätzte Außenlufttemperatur unter einer vorher festgelegten Vereisungstemperatur, bei der Feuchtigkeit gefriert, liegt oder nicht. Wenn entschieden wird, daß die geschätzte Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt, werden Vereisungsschutzmaßnahmen durchgeführt, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle gefriert. Die Schätzung des Absinkens der Außenlufttemperatur wird durch eine zeitliche Differentiation der Veränderung der Außenlufttemperatur durchgeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System, das eine Brennstoffzelle umfaßt, die so ausgelegt ist, daß sie durch chemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt, und die in beweglichen Körpern, wie Fahrzeugen, Schiffen und tragbaren Generatoren, in wirksamer Weise verwendet werden kann.

Beschreibung der verwandten Technik

Bereits bekannt ist ein Brennstoffzellen-System, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, welche Elektrizität mittels chemischer Reaktionen zwischen Wasserstoff und (Luft-) Sauerstoff erzeugt. Eine Brennstoffzelle beispielsweise vom Polyelektrolyt-Typ, die als Antriebsquelle für u. a. Fahrzeuge gedacht ist, verlangt, daß eine hochpolymere Elektrolytmembran im feuchten oder nassen Zustand gehalten wird.

Wenn ein mit einer solchen Brennstoffzelle ausgestattetes Fahrzeug in einer Tieftemperaturumgebung deaktiviert oder abgestellt wird, besteht die Gefahr, daß in der Brennstoffzelle oder in einem Reaktionsgas-Strömungsweg (Kanal) vorhandene Feuchtigkeit gefriert. Darüber hinaus besteht im Fall eines Brennstoffzellen-Systems, bei dem aus einer Brennstoffzelle austretendes nicht-umgesetztes Gas (Restgas) mittels einer Pumpe wieder in die Brennstoffzelle rückgeführt wird, die Gefahr, daß in der Pumpe oder den Ventilen zurückgebliebene Feuchtigkeit gefriert.

Wenn eine Brennstoffzelle in solch einer Tieftemperaturumgebung aktiviert wird, ergibt sich das Problem, daß die Aktivierung der Brennstoffzelle schwierig sein kann, und zwar weil die Reaktionsgase (Wasserstoff und Luft) u. a. wegen Vereisung, Verstopfung eines Reaktionsgas-Strömungsweges oder Blockierung einer Pumpe daran gehindert werden, zu der Elektrolytmembran zu strömen oder diese zu erreichen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die Lösung des oben genannten Problems entwickelt, und daher ist es Gegenstand der Erfindung, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das in der Lage ist, eine Brennstoffzelle auch unter Tieftemperaturumgebungen zu aktivieren.

Zu diesem Zweck wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellen-System bereitgestellt, das die folgenden Komponenten umfaßt: eine Brennstoffzelle (1), die durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt, und die ein Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel (25), das die Außenlufttemperatur in der Umgebung der Brennstoffzelle erfaßt, ein Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel (S11), das nach Deaktivierung der Brennstoffzelle (1) das Absinken (Transition) der Außenlufttemperatur auf der Grundlage der vom Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel (25) erfaßten Veränderung der Außenlufttemperatur schätzt, ein Vereisungs-Entscheidungsmittel (S12), das entscheidet, ob die Außenlufttemperatur, die vom Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel (S11) erhalten worden ist, unter einer vorher festgelegten Vereisungstemperatur, bei der Feuchtigkeit gefriert, liegt oder nicht, und ein Vereisungsschutz-Durchführungsmittel (S14), das verhindert, daß Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle (1) gefriert, wenn das Vereisungs-Entscheidungsmittel (S12) entscheidet, daß die geschätzte Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt.

So wird das Absinken (oder die Veränderung) der Außenlufttemperatur geschätzt, um Vereisungsschutz-Maßnahmen durchzuführen, wenn geschätzt worden ist, daß es zu einem Vereisen kommen kann, wodurch Schwierigkeiten aufgrund gefrierender Feuchtigkeit bei der nächsten Aktivierung der Brennstoffzelle verhindert werden können. Da das Absinken der Außenlufttemperatur geschätzt wird, und Vereisungsschutz-Maßnahmen nur durchgeführt werden, wenn geschätzt worden ist, daß es zu einem Vereisen kommen kann, kann ein Verbrauch von Energie für die überflüssige Durchführung von Vereisungsschutz-Maßnahmen vermieden werden.

Weiter führt das Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel (S11) gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine zeitliche Differentiation der Außenlufttemperatur-Veränderung durch, um das Absinken der Außenlufttemperatur zu berechnen und zu schätzen.

Weiter wird gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung die Außenlufttemperatur-Schätzung im Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel (S11) beendet oder deaktiviert, wenn entschieden wird, daß die geschätzte Außenlufttemperatur unter dem vorher festgelegten Vereisungswert liegt, wodurch ein unnötiger Energieverbrauch verhindert werden kann.

Weiter umfaßt das Brennstoffzellen-System gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung einen Restgas-Zirkulationsweg (15), um Restgas, das nicht-umgesetzten Wasserstoff enthält und das die Brennstoffzelle (1) verläßt, in die Brennstoffzelle (1) zurückzuführen, sowie ein Pumpenmittel (16), das im Restgas-Zirkulationsweg (15) vorgesehen ist, und das ein Gas unter Druck in den Restgas-Zirkulationsweg (15) schickt, wobei das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel (S14) verhindert, daß Feuchtigkeit im Inneren des Restgas-Zirkulationswegs (15) und im Inneren des Pumpenmittels (16) gefriert.

Weiter umfaßt das Brennstoffzellen-System gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung eine im Restgas-Zirkulationsweg (15) vorgesehene Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung (17), welche die Feuchtigkeit. die in dem durch den Restgas-Zirkulationsweg strömenden Gas enthalten ist, abtrennt und entfernt, wobei das Vereisungsschutz- Durchführungsmittel (S14) das Pumpenmittel (16) aktiviert, wenn entschieden worden ist, daß die geschätzte Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt.

Dadurch kann die Feuchtigkeit im Gas, das durch den Restgas-Zirkulationsweg (15) und die Brennstoffzelle (1) zirkuliert, entfernt werden, das heißt, dadurch kann die Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle (1), der Leitung (15) und der Pumpe (16) entfernt werden.

Weiter umfaßt das Brennstoffzellen-System gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung einen Drucksensor (24), der den Druck des Restgases erfaßt, so daß die vorher festgelegte Vereisungstemperatur auf der Grundlage des vom Drucksensor (24) erfaßten Restgasdrucks korrigiert werden kann. Dies trägt zu einer korrekten Entscheidung bezüglich der Vereisungstemperatur bei.

Weiter umfaßt das Brennstoffzellen-System gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung ein Feuchtigkeitskonzentrations-Erfassungsmittel (23), das die Feuchtigkeitskonzentration des Restgases erfaßt, so daß das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel (S14) beendet oder deaktiviert wird, wenn die Feuchtigkeitskonzentration des Restgases, die vom Feuchtigkeitskonzentrations-Erfassungsmittel (23) erfaßt wird, unter einem vorher festgelegten Wert liegt. Dies trägt zur Verhinderung eines unnötigen Kraftstoffverbrauchs bei.

Weiter umfaßt das Brennstoffzellen-System gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ein Druckreduzierventil (27), das in einem Wasserstoffzuführweg (11), durch den Wasserstoff zur Brennstoffzelle (1) geschickt wird, vorgesehen ist, und das so ausgelegt ist, daß es den Wasserstoffzuführweg (11) öffnet und schließt, sowie einen Auslaßweg (19), der an der Stromabwärtsseite des Pumpenmittels (16) im Restgas-Zirkulationsweg (15) vorgesehen ist, um Gas, welches vom Pumpenmittel (16) ausgetragen wird, abzulassen, wobei das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel (S14) bewirkt, daß das Druckreduzierventil (27) den Wasserstoffzuführweg (11) schließt und das Pumpenmittel (16) ein Gas im Restgas-Zirkulationsweg (15) über einen Auslaßweg (19) austrägt.

Dadurch kann eine Druckreduzierung zwischen dem Druckreduzierungsventil (27) und dem Pumpenmittel (16) erreicht werden, so daß die Feuchtigkeit, die dazwischen vorhanden ist, unter reduziertem Druck verdampft und so nach außen gelassen werden kann.

Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung ist die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung außerdem vom Zentrifugentyp und wird von einer Antriebswelle (28c) des Pumpenmittels (28) drehend angetrieben. Solch eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung, welche die Drehantriebsenergie nutzt, ermöglicht eine wirkungsvollere Gas/-Flüssigkeits-Trennung. Außerdem erlaubt diese Konstruktion die Integration des Pumpenmittels und der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung und schafft die Notwendigkeit einer separaten Anordnung der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung ab, wodurch eine Verkleinerung des Brennstoffzellen-Systems möglich wird.

Die Bezugszahlen in Klammern, die den jeweiligen Mitteln oder Bauteilen zugeordnet sind, bezeichnen ihre jeweilige Lage in der konkreten Vorrichtung in einer Ausführungsform, die später beschrieben wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden, wobei:

1 eine Skizze der Gesamtkonstruktion einer Brennstoffzellen-Systems gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist;

2 ein Blockdiagramm ist, das die Ein- und Ausgabe einer elektronischen Steuereinheit der ersten Ausführungsform zeigt;

3 ein Flußdiagramm ist, welches die Vereisungsschutz-Steuerung der ersten Ausführungsform zeigt;

4 ein Diagramm ist, das die Schätzung des Absinkens der Außenlufttemperatur erklärt;

5 eine vereinfachte Darstellung der Gesamtkonstruktion eines Brennstoffzellen-Systems gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;

6A eine Querschnittsansicht ist, die eine Restgaspumpe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und

6B und 6C Draufsichten sind, die einen Drehteller der vierten Ausführungsform zeigen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. Ein Brennstoffzellen-System gemäß der ersten Ausführungsform eignet sich beispielsweise für ein Elektrofahrzeug (Brennstoffzellen-betriebenes Fahrzeug), das eine Brennstoffzelle als Stromquelle verwendet.
1 ist die Darstellung der Gesamtkonstruktion eines Brennstoffzellen-Systems gemäß der ersten Ausführungsform. Eine Brennstoffzelle (FC Stack) 1 ist so ausgelegt, daß durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt wird. In der ersten Ausführungsform wird eine Brennstoffzelle vom Feststoff-Polyelektrolyt-Typ als Brennstoffzelle 1 verwendet, und eine Vielzahl von Zellen, die jeweils eine Basiseinheit bilden, sind übereinander geschichtet. Jede der Zellen ist so beschaffen, daß eine Elektrolytmembran zwischen einem Paar von Elektroden liegt. Die Brennstoffzelle 1 ist so ausgelegt, daß sie Strom zu einem elektrischen Bauteil, beispielsweise einem Antriebsmotor oder einer (nicht gezeigten) Sekundärbatterie leitet. Sobald die Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird, läuft in ihr die folgende elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff ab, wodurch Strom erzeugt wird. (Wasserstoff-Elektrodenseite) H₂ → 2H⁺ + 2e^– (Sauerstoff-Elektrodenseite) 2H⁺ + 1/2 O₂ + 2e^– → H₂O
Bei dieser elektrochemischen Reaktion entsteht Wasser, und wie nachstehend ausgeführt, werden feuchter Wasserstoff und feuchte Luft in die Brennstoffzelle 1 geleitet, und ein Kondensat bildet sich im Inneren der Brennstoffzelle 1. Aus diesem Grund befindet sich im Inneren der Brennstoffzelle 1 Feuchtigkeit im Wasserstoff-Strömungsweg und im Luft-Strömungsweg.
Ein Brennstoffzellen-System wird mit einem Luft-Zuführweg 10 für die Zufuhr von Luft (Sauerstoff) zur Sauerstoffelektroden- (positiven Elektroden-) Seite der Brennstoffzelle 1 sowie einem Wasserstoff-Zuführweg 11 für die Zufuhr von Wasserstoff zur Wasserstoffelektroden- (negativen Elektroden-) Seite der Brennstoffzelle 1 ausgestattet. Luft (Sauerstoff) wird von einer (nicht gezeigten) Luftzuführ-Vorrichtung in den Luft-Zuführweg 10 geleitet, während Wasserstoff von einer Wasserstoff-Zuführvorrichtung 12 in den Wasserstoff-Zuführweg 11 geleitet wird. Als Wasserstoff-Zuführvorrichtung 12 kann beispielsweise ein Wasserstofftank verwendet werden, der mit unter hohem Druck stehendem Wasserstoff gefüllt ist, oder eine Modifizierungsvorrichtung, die so ausgelegt ist, daß sie Wasserstoff durch eine Modifizierungsreaktion erzeugt. In der ersten Ausführungsform wird ein Hochdruck-Wasserstofftank verwendet.
Für die genannte elektrochemische Reaktion muß die Elektrolytmembran im Inneren der Brennstoffzelle 1 sich in einer feuchten oder nassen Umgebung befinden. Daher ist ein (nicht gezeigter) Befeuchter im Luft-Zuführweg 10 und im Wasserstoff-Zuführweg 11 vorgesehen, um die Luft und den Sauerstoff, die zur Brennstoffzelle 1 geleitet werden, zu befeuchten.
Stromabwärts sind im Wasserstoff-Zuführweg 11 ein Wasserstoff-Zuführventil 13, welches die Wasserstoffzufuhr von der Wasserstoff-Zuführvorrichtung 12 an- und abstellt, sowie ein Regelvorrichtung 14 vorgesehen, welche die Menge der Wasserstoffzufuhr einstellt.
Das Brennstoffzellen-System umfaßt einen Restgas-Zirkulationsweg 15, durch den nicht-umgesetzten Wasserstoff enthaltendes Restgas, welches die Brennstoffzelle 1 verläßt, in die Brennstoffzelle 1 rückgeführt wird. Der Restgas-Zirkulationsweg 15 ist so ausgelegt, daß Restgas, das den Wasserstoffauslaß der Brennstoffzelle 1 verläßt, stromabwärts von der Regelvorrichtung 14 in den Wasserstoff-Zuführweg 11 gelangt.
Im Restgas-Zirkulationsweg 15 ist eine Restgaspumpe (Pumpenmittel) 16 vorgesehen, um den Druck des Restgases zu verstärken, damit es im Restgas-Zirkulationsweg 15 zirkuliert. In der ersten Ausführungsform wird ein motorbetriebener Kompressor als Restgaspumpe 16 verwendet, welcher so ausgelegt ist, daß er den Restgasdruck so weit verstärkt, bis er dem des Hochdruck-Wasserstoffs entspricht, der aus der Wasserstoff-Zuführvorrichtung 12 zugeführt wird.
Weiter ist eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 17 stromaufwärts von der Restgaspumpe 16 im Restgas-Zirkulationsweg 15 vorgesehen, die als Entfeuchtungsvorrichtung dient, um die im Restgas enthaltene Feuchtigkeit abzutrennen und zu entfernen. Die von der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 17 abgetrennte Feuchtigkeit wird durch Öffnen eines Feuchtigkeits-Auslassventils 18 entfernt.
Stromabwärts von der Restgaspumpe 16 ist im Restgas-Zirkulationsweg 15 abzweigend von diesem ein Auslaßweg 19 vorgesehen, der das Restgas nach außen leitet. Im Auslaßweg 19 sind ein Restgas-Auslaßventil 20 und eine Restgas-Behandlungseinheit 21 vorgesehen. Normalerweise ist das Restgas-Auslaßventil 20 geschlossen, damit das Restgas durch den Restgas-Zirkulationsweg 15 zur Brennstoffzelle 1 zirkulieren kann, wobei das Restgas-Auslaßventil 20 dann geöffnet wird, wenn Restgas nach außen geleitet werden soll, beispielsweise falls die Wasserstoffkonzentration im Restgas zu niedrig wird. Dann wird das Restgas nach draußen geleitet, nachdem es in der Restgas-Behandlungseinheit 21 behandelt wurde.
Stromabwärts von der Verzweigungsstelle des Auslaßwegs 19 ist im Restgas-Zirkulationsweg 15 ein Rückschlagventil 22 vorgesehen, um zu verhindern, daß das Restgas in umgekehrter Richtung strömt.
Das Brennstoffzellen-System gemäß der ersten Ausführungsform ist mit einem Feuchtigkeitskonzentrations-Sensor (Feuchtigkeitskonzentrations-Erfassungsmittel) 23, welches die Feuchtigkeitskonzentration (Feuchte) des Restgases erfaßt, einem Drucksensor 24, der den Druck des Restgases erfaßt, und einem Außenlufttemperatur-Sensor (Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel) 25, das die Außenlufttemperatur in der Umgebung der Brennstoffzelle 1 erfaßt, ausgestattet. Die von den Sensoren ausgehenden Signale werden in eine elektronische Steuereinheit 26 eingegeben.
2 ist die Darstellung des Ein- und Ausgangs der Signale, die in die elektronische Steuereinheit (ECU) 26 eingegeben und von dieser ausgegeben werden. Wie in 2 gezeigt, empfängt die elektronische Steuereinheit 26 Sensorsignale vom Feuchtigkeitskonzentrations-Sensor 23, vom Drucksensor 24 und vom Außenlufttemperatur-Sensor 25 und sendet Steuersignale zum Wasserstoff-Zuführventil 13, zum Feuchtigkeits-Abführventil 18, zum Restgas-Auslaßventil 20 und zur Restgaspumpe 16.
Die Brennstoffzelle 1 erzeugt Wärme, die aus der Energieerzeugung entsteht. Aus diesem Grund ist das Brennstoffzellen-System mit einem (nicht gezeigten) Kühlsystem ausgestattet, um die Brennstoffzelle 1 zu kühlen und die Betriebstemperatur auf geeigneter Höhe zu halten (etwa 80°C).
Im Zusammenhang mit 3 wird eine Vereisungsschutzsteuerung in der so ausgelegten Brennstoffzellen beschrieben. 3 ist ein Flußdiagramm, das den Ablauf der Vereisungsschutzsteuerung zeigt, die in der elektronischen Steuereinheit 26 durchgeführt wird.
Die Vereisungsschutzsteuerung beginnt als Antwort auf die Deaktivierung der Brennstoffzelle 1. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich noch Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 1, den Leitungen usw.
Zuerst erfaßt der Außenlufttemperatur-Sensor 25 eine Außenlufttemperatur T_n (S10). Diese Außenlufttemperatur-Erfassung wird in festgelegten Zeitabständen (beispielsweise in Intervallen von mehreren Minuten) durchgeführt. Dann wird eine Berechnung des geschätzten Transitionswerts T_n+1 der Außenlufttemperatur durchgeführt (S11).
4 ist eine Darstellung, welche die Schätzung des Absinkens der Außenlufttemperatur erklärt. In 4 bezeichnet T_n-1, eine Außenlufttemperatur zum Zeitpunkt t_n-1 der letzten Messung, T_n bezeichnet eine Außenlufttemperatur zum gegenwärtigen Zeitpunkt t_n, und T_n+1 stellt die Außenlufttemperatur zum Zeitpunkt t_n+1, der nächsten Messung dar. Die Werte T_n-1 und T_n sind dabei Werte, die tatsächlich gemessen werden, und T_n+1 ist ein Schätzwert.
Wie in 4 gezeigt, wird davon ausgegangen, daß die Außenlufttemperatur, die sich im Lauf der Zeit verändert, mit einer konstanten Änderungsrate (Gradienten) absinkt. Daher kann die Außenlufttemperatur T_n+1 zum Zeitpunkt t_n+1 der nächsten Messung geschätzt berechnet werden, wenn man die Außenlufttemperatur-Veränderung (den Außenlufttemperatur-Gradienten) vom letzten Meßzeitpunkt t_n-1 bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt t_n erhält.
Die Änderung (der Gradient) der Außenlufttemperatur vom letzten Meßzeitpunkt r_n-1 bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt t_nkann durch eine Zeitdifferentiation erhalten werden, wie sie von der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt wird. dT/dt = (Tn – Tn-1)/(tn – tn-1) (1)
Die Außenlufttemperatur T_n+1 zum nächsten Meßzeitpunkt t_n+1 kann erhalten werden, wenn man einen geschätzten Wert für die Außenlufttemperatur-Veränderung ((T_n – T_n-1)/(t_n – t_n-1))dt zur gegenwärtigen Außenlufttemperatur T_n addiert, wie durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt. Tn+1 = Tn + ((Tn – Tn-1)/( tn-1 – tn-1))dt (2)
Daraufhin wird entschieden, ob die geschätzte Außenlufttemperatur T_n+1 unter einer Vereisungstemperatur Ti' liegt (S12). In diesem Fall wird, da die Vereisungstemperatur Ti mit dem Druck variiert, die Vereisungstemperatur Ti aufgrund des Drucks P des Restgases, der vom Drucksensor 24 erfaßt wird, korrigiert, um eine korrigierte Vereisungstemperatur Ti' zu erhalten, wie durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt, worin k einen Korrekturkoeffizienten darstellt. Ti' = Ti + Ti × P × k (3)
Wenn in Schritt S12 entschieden wird, daß die geschätzte Außenlufttemperatur T_n+1 gleich oder höher als die Vereisungstemperatur Ti' ist, werden die Messungen der Außenlufttemperatur wiederholt, bis die geschätzte Außenlufttemperatur T unter der Vereisungstemperatur Ti' liegt. Wenn dagegen in Schritt S12 entschieden wird, daß die geschätzte Außenlufttemperatur T_n+1 unter der Vereisungstemperatur Ti' liegt, wird die Schätzung der Außenlufttemperatur beendet (S13), woraufhin Vereisungsschutzmaßnahmen durchgeführt werden (S14).
Konkret arbeitet die Restgaspumpe 16 so, daß das Restgas in folgender Richtung zirkuliert: Restgas-Zirkulationsweg 15 → Wasserstoff-Zuführweg 11 → Wasserstoff elektrode der Brennstoffzelle 1. Die Restgaspumpe 16 wird durch Strom von einer (nicht gezeigten) sekundären Batterie angetrieben. Die im Restgas enthaltene Feuchtigkeit wird von der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 17 gesammelt, wodurch die Feuchtigkeit im Restgas allmählich abnimmt. Dadurch kann die Feuchtigkeit aus dem Inneren der Brennstoffzelle 1, den Leitungen 11, 15 und der Restgaspumpe 16 entfernt werden.
Da nun der Partialdruck des Dampfs in einer Tieftemperaturumgebung sinkt, kann die Feuchtigkeitsabtrennung aus dem Restgas mittels der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 17 effektiv durchgeführt werden.
Anschließend erfaßt der Feuchtigkeitskonzentrations-Sensor 23 eine Feuchtigkeitskonzentration Hu des Restgases (S15) und es wird entschieden, ob die Feuchtigkeitskonzentration Hu unter einer vorher festgelegten Konzentration liegt (S16). Eine Konzentration unter der vorher festgelegten Konzentration bedeutet, daß es zu keiner Vereisung kommt. Die vorher festgelegte Konzentration kann für jedes System beliebig eingestellt werden. Wenn in Schritt S16 entschieden wird, daß die Feuchtigkeitskonzentration Hu gleich oder höher ist als die vorher festgelegte Konzentration, werden die genannten Vereisungsschutzmaßnahmen kontinuierlich durchgeführt. Wenn dagegen in Schritt S16 entschieden wird, daß die Feuchtigkeitskonzentration Hu unter der vorher festgelegten Konzentration liegt, wird die Restgaspumpe 16 deaktiviert und die Vereisungsschutzmaßnahmen werden beendet (S17).
Da mit der beschriebenen Konstruktion das Absinken der Außenlufttemperatur geschätzt wird, und, wenn ein Vereisen zu erwarten ist, Vereisungsschutzmaßnahmen durchgeführt werden, wobei die Feuchtigkeit aus dem Inneren der Brennstoffzelle 1, der Leitungen 11, 15 und der Restgaspumpe 16 entfernt wird, kann die Feuchtigkeit entfernt werden, bevor sie gefriert. Dies verhindert, daß die nächste Aktivierung der Brennstoffzelle 1 aufgrund von gefrorener Feuchtigkeit Schwierigkeiten bereitet.
In der ersten Ausführungsform kann außerdem, da das Absinken der Außenlufttemperatur geschätzt wird, so daß Vereisungsschutzmaßnahmen nur dann durchgeführt werden, wenn mit einer Vereisung zu rechnen ist, ein überflüssiger Kraftstoffverbrauch für die Durchführung der Vereisungsschutzmaßnahmen vermieden werden. Wenn nicht mit einem Vereisen zu rechnen ist, bleibt die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 1 außerdem feucht oder naß, da keine Feuchtigkeitsentfernung durchgeführt wird, wodurch die Notwendigkeit, die Brennstoffzelle bei der nächsten Aktivierung anzufeuchten bzw, naß zu machen, entfällt.
Der genannte Schritt S11 entspricht dem Außentemperatur-Schätzmittel der vorliegenden Erfindung, der genannte Schritt S12 entspricht dem Vereisungs-Entscheidungsmittel der Erfindung und der genannte Schritt S14 entspricht dem Vereisungsschutz-Durchführungsmittel der Erfindung.
(Zweite Ausführungsform)
Mit Bezug auf 5 wird nachstehend die zweite Ausführungsformn der Erfindung beschrieben. Die Teile, die denen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform entsprechen, haben die gleichen Bezugszahlen, und ihre Beschreibung wurde der Einfachheit halber weggelassen. Die zweite Ausführungsform wird lediglich insofern beschrieben, als sie von der ersten abweicht.
5 ist die Darstellung der Gesamtkonstruktion eines Brennstoffzellen-Systems gemäß der zweiten Ausführungsform. Aus 5 geht hervor, daß in der zweiten Ausführungsform ein Druckreduzierventil 27 stromaufwärts von der Brennstoffzelle 1 in einem Wasserstoff-Zuführweg 11 vorgesehen ist, um den Strömungskanal zu öffnen oder zu schließen.
Bei dieser Konstruktion wird bei der Durchführung der Vereisungsschutzmaßnahmen des oben genannten Schritts S14 das Druckreduzierventil 27 geschlossen. und ein Restgas-Ablaßventil 20 wird geöffnet und außerdem wird ein Restgaspumpe 16 aktiviert, wodurch eine Druckreduzierung zwischen dem Druckreduzierventil 27 und der Restgaspumpe 16 erreicht wird. Demgemäß verdampft die Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 1 und im Inneren der Restgaspumpe 16 unter verringertem Druck, so daß sie nach außen abgegeben wird, wodurch die Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle 1 und im Inneren der Restgaspumpe 16 wirksam entfernt werden kann.
(Dritte Ausführungsform)
Weiter wird mit Bezug auf 6 nachstehend die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Teile, die denen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform entsprechen, haben die gleichen Bezugszahlen, und ihre Beschreibung wurde der Einfachheit halber weggelassen. Die dritte Ausführungsform wird lediglich insofern beschrieben, als sie von der ersten abweicht.
Die 6A, 6B und 6C sind Darstellungen der Konstruktion einer Restgaspumpe 28 (28a) gemäß der dritten Ausführungsform. 6A ist ein Querschnitt, der die Restgaspumpe 28 zeigt, und die 6B und 6C sind Draufsichten, die einen Drehteller zeigen.
Wie 6A zeigt, bilden die Restgaspumpe 28 und die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung vom Zyklontyp gemäß der dritten Ausführungsform einen Einheit. Ein Drehteller 28d für die Gas/Flüssigkeits-Trennung ist auf einer Antriebswelle 28c eines Motors 28b für eine Drehpumpe 28a angebracht. Eine Restgas-Einlaßöffnung 28e ist über der Antriebswelle 28c in Axialrichtung ausgebildet.
Der Drehteller 28d kann glatt ausgebildet sein, wie in 6B dargestellt, oder mit Löchern versehen sein, wie in 6C gezeigt. Bei der in 6B dargestellten glatten Konstruktion ist der Wirkungsgrad der Gas/Flüssigkeits-Trennung trotz eines erheblichen Druckverlusts beim Auftreffen des Restgases hoch. Bei der mit Löchern versehenen Konstruktion. die in 6C dargestellt ist, ist der Wirkungsgrad der Gas/- Flüssigkeits-Trennung niedrig, obwohl der Druckverlust beim Auftreffen des Restgases gering ist.
Ein Restgas A, das eine Gaskomponente B und eine Flüssigkeitströpfchen-/Dampfkomponente C enthält, wird mittels der Pumpenwirkung durch die Einlaßöffnung 28e gesaugt, wo es auf den Drehteller 28d trifft. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gaskomponente B, die eine geringe Trägheitskraft aufweist, in das Innere der Pumpe 28a gesaugt und dann durch ein Feuchtigkeits-Austragsventil 28f abgelassen. Dagegen trifft die Flüssigkeitströpfchen-/Dampfkomponente C, die eine große Trägheitskraft aufweist, auf den Drehteller 28d und wird von der Fliehkraft in Richtung der Pumpenwände getrennt/eingefangen. Die abgetrennte Feuchtigkeit tropft herab und wird gesammelt und durch Öffnen des Feuchtigkeits-Ablassventils 28f abgelassen.
Auf diese Weise ermöglicht die Verwendung der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichrung vom Zyklontyp, die mit dem Drehteller 28d ausgestattet ist, welcher vom Motor 28b angetrieben wird, die effektive Entfernung von Flüssigkeit aus dem Restgas. Da die Restgaspumpe 28 und die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung eine Einheit bilden, besteht außerdem keine Notwendigkeit, die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung separat zu installieren, was eine Verkleinerung des Brennstoffzellen-Systems ermöglicht.
(Andere Ausführungsform)
In den oben beschriebenen Ausführungsformen wird der korrigierte Wert Ti' für die Vereisungstemperatur zwar aufgrund des Restgasdrucks P berechnet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern es ist ebenso möglich, die Beziehung zwischen dem Druck P und einem korrigierten Wert Ti' für die Vereisungstemperatur zuvor in Form eines Kennfelds (map) zu hinterlegen und den korrigierten Wert für die Vereisungstemperatur Ti' aufgrund des Drucks P vom Kennfeld abzuleiten.
Weiter wird zwar in den oben beschriebenen Ausführungsformen die Entfernung der Feuchtigkeit mit der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 17 durchgeführt, die als das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel dient, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern es kann auch eine Feuchtigkeitsabsorptions-Vorrichtung verwendet werden, welche die Feuchtigkeit beispielsweise mittels eines Absorbens (Silicagel, Aktivkohle oder dergleichen) absorbiert und entfernt. Alternativ dazu ist es beispielsweise auch akzeptabel, ein Trockengas (beispielsweise trockene Luft, trockenen Wasserstoff) in die Brennstoffzelle 1 zu leiten, um die Feuchtigkeit zu entfernen.
Weiter wäre es möglich, die Feuchtigkeit, die von der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 17 abgetrennt und gesammelt wird, als Kühlwasser für das BrennstoffzellenSystem oder als Befeuchtungswasser zu verwenden.
Es sollte verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt ist, und daß sie alle Änderungen und Modifikationen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einschließt, welche keine Abweichung vom Gedanken und Bereich der Erfindung darstellen.

Claims

Brennstoffzellen-System, das eine Brennstoffzelle aufweist, welche durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt, umfassend: ein Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel zum Erfassen der Außenlufttemperatur in der Nachbarschaft der Brennstoffzelle; ein Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel, um nach dem Deaktivieren der Brennstoffzelle das Sinken der Außenlufttemperatur aufgrund einer vom Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel erfaßten Änderung der Außenlufttemperatur zu schätzen; ein Vereisungsentscheidungsmittel, um zu entscheiden, ob die geschätzte Außenlufttemperatur, die vom Außenlufttemperatur-Schätzmittel erhalten wurde, unter einer vorher festgelegten Vereisungstemperatur, bei der Feuchtigkeit gefriert, liegt oder nicht; und ein Vereisungsschutz-Durchführungsmittel, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle gefriert, wenn das Vereisungsentscheidungsmittel entschieden hat, daß die Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt.
System gemäß Anspruch 1, worin das Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel eine zeitliche Differentiation der Änderung der Außenlufttemperatur durchführt, um das Sinken der Außenlufttemperatur zu berechnen und zu schätzen.
System nach Anspruch 1, worin die Außenlufttemperaturschätzung im Außenlufttemperatur-Schätzmittel beendet wird, wenn entschieden worden ist, daß die Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend: einen Restgas-Zirkulationsweg, um Restgas, das nicht-umgesetzten Wasserstoff enthält und welches die Brennstoffzelle verläßt, zur Brennstoffzelle zurückzuführen; und ein Pumpenmittel, das im Restgas-Zirkulationsweg vorgesehen ist, um ein Gas unter Druck in den Restgas-Zirkulationsweg zu leiten, wobei das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel verhindert, daß Feuchtigkeit im Inneren des Restgas-Zirkulationswegs und des Inneren des Pumpenmittels gefriert.
System gemäß Anspruch 4, weiter eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung umfassend, die im Restgas-Zirkulationsweg vorgesehen ist, um Feuchtigkeit, die im Gas, das durch den Restgas-Zirkulationsweg zirkuliert, enthalten ist, abzutrennen und zu entfernen wobei das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel das Pumpenmittel aktiviert, wenn entschieden worden ist, daß die geschätzte Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt.
System nach Anspruch 4, weiter einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks im Restgas-Zirkulationsweg umfassend, so daß die vorher festgelegte Vereisungs temperatur aufgrund des Drucks im Restgas-Zirkulationsweg, der vom Drucksensor erfaßt wird, korrigiert werden kann.
System nach Anspruch 1, weiter ein Feuchtigkeitskonzentrations-Erfassungsmittel zum Erfassen der Feuchtigkeitskonzentration des Restgases umfassend, so daß das Vereisungsverhinderungs-Durchführungsmittel abgestellt wird, wenn die Feuchtigkeitskonzentration des Restgases, die vom Feuchtigkeitskonzentrations-Erfassungsmittel erfaßt wird, unter einen vorher festgelegten Wert fällt.
System nach Anspruch 4, weiter umfassend: ein Druckreduzierventil, das in einem Wasserstoffzuführweg vorgesehen ist, um Wasserstoff zu der Brennstoffzelle zu leiten, und das so ausgelegt ist, daß es den Wasserstoff-Zuführweg öffnet und schließt; und einen Abführweg, der stromabwärts vom Pumpenmittel im Restgas-Zirkulationsweg vorgesehen ist, um ein Gas, das vom Pumpenmittel ausgetragen wird, nach draußen zu lassen, wobei das Vereisungsschutz-Durchführungsmittel bewirkt, daß das Druckminderungsventil den Wasserstoff-Zuführweg schließt und daß das Pumpenmittel ein Gas im Restgas-Zirkulationsweg durch den Ausführweg nach draußen austrägt.
System nach Anspruch 5, worin die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung vom Zentrifugentyp ist und drehend von einer Drehwelle des Pumpenmittels angetrieben wird.